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Das Schädel-Hirn-Trauma (SHT) entsteht durch äußere Gewalteinwirkung auf den Kopf und verursacht mechanisch eine Schädigung des Hirngewebes. Zusätzlich tragen sekundäre Pathomechanismen, wie Entzündungsprozesse und die Schädigung der Blut-Hirn-Schranke (BHS), dazu bei, dass sich das initial geschädigte Läsionsareal im Laufe der Zeit vergrößert. Vor allem bei jungen Erwachsenen ist das SHT eine der häufigsten Ursachen für bleibende Behinderungen und Todesfälle. Aufgrund der schweren Auswirkungen des SHT und der bislang fehlenden Therapieoptionen ist die Identifizierung neuer Zielstrukturen für eine kausale Therapie von größter Bedeutung. Ausgehend von tierexperimentellen Studien ist das Kallikrein-Kinin-System (KKS) ein besonders erfolgversprechender Angriffspunkt zur Behandlung des SHT. Die Aktivierung des KKS über den Gerinnungsfaktor XII (FXII) und die darauf folgende Bildung von Bradykinin sind mit dem Entstehen von Hirnödemen und Entzündungsreaktionen assoziiert. Vorangegangene Studien haben weiterhin die Frage aufgeworfen, ob und in welchem Maße thrombotische Prozesse einen Einfluss auf die Pathophysiologie und die sekundären Hirnschädigungen nach SHT haben. Da FXII sowohl das KKS als auch die intrinsische plasmatische Gerinnungskaskade initiiert und somit zur Fibrinbildung beiträgt, stand FXII im Mittelpunkt der Untersuchungen dieser Dissertation. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Fragen, (I) inwiefern FXII eine Rolle bei der sekundären Hirnschädigung nach Trauma spielt und (II) ob thrombotische Prozesse ein pathophysiologisches Merkmal nach Trauma darstellen. In zwei unterschiedlichen Trauma-Modellen wurden FXII-defiziente Tiere und mit einem spezifischen Inhibitor des aktivierten FXII (FXIIa) behandelte Tiere gegen Kontrolltiere nach SHT verglichen. Die Analyse der funktionellen Ausfallerscheinungen und des Ausmaßes an neuronaler Degeneration zeigte, dass FXII-Defizienz und FXIIa-Inhibition vor den Auswirkungen eines SHT schützen. Als zugrundeliegende Mechanismen wurden die Reduktion von thrombotisch verschlossenen Gefäßen in der Mikrovaskulatur des Gehirns sowie der Schutz vor BHS-Störungen und verringerte inflammatorische Prozesse identifiziert. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Blockade der intrinsischen Gerinnungskaskade über FXII keine intrazerebralen Blutungen auslöst. In Gewebeproben von Patienten mit SHT wurde gezeigt, dass Thrombozytenaggregate auch im klinischen Verlauf auftreten und sich somit die tierexperimentellen Befunde auf die humane Situation übertragen lassen. Insgesamt tragen die Ergebnisse dazu bei, die komplexen und vielfältigen Pathomechanismen nach SHT besser zu verstehen und vor allem die Relevanz thrombo-inflammatorischer Prozesse nach SHT aufzuzeigen. Die gezielte Blockade des FXII(a) könnte als therapeutisches Prinzip zur Abschwächung der Sekundärschaden nach SHT geeignet sein. / Traumatic brain injury (TBI) is the result of an outside force causing mechanical disruption of the brain tissue. In addition, delayed pathogenic events, like inflammatory processes and blood-brain barrier damage occur, which collectively exacerbate the injury. In young adults, TBI is one of the main reasons for permanent disability and death. Because of its severe consequences and the lack of causal treatment, the identification of novel therapeutic options is of utmost importance. Based on animal studies, the kallikrein-kinin-system (KKS) is a very promising target to treat secondary injury processes following TBI. The activation of the KKS via coagulation factor XII (FXII) and the subsequent formation of bradykinin are tightly associated with the development of brain edema and inflammation. Recent studies have raised the question to what extent thrombotic processes might influence the pathophysiology and secondary injury processes following TBI. As FXII is not only the starting point of the KKS, but also the initiator of the intrinsic coagulation cascade which leads to fibrin formation, FXII was the center of interest for this dissertation. The work presented here deals with the issue, (I) whether FXII plays a role in the development and aggravation of secondary injury processes after trauma and (II) if thrombotic processes display a pathophysiological feature in TBI. In two different models of brain trauma, FXII-deficient mice and mice treated with a specific inhibitor of activated FXII (FXIIa) were compared to their respective control groups after trauma induction. The analyses of the functional outcome and the amount of neurodegenerative processes showed a distinct amelioration in favor of the genetically modified and treated animals. As underlying mechanisms, the reduction of thrombotic vessels in the brain microvasculature and additionally, protection from blood-brain barrier damages and less inflammation were identified. Moreover, it was observed that interference with the intrinsic coagulation cascade via FXII does not lead to the formation of intracerebral bleedings. The evaluation of human brain tissue surgically obtained following TBI demonstrated that platelet aggregates occur regularly in the course of brain trauma and that they seem to contribute to the secondary injury processes and the ischemia-like injury pattern. Taken together, the results contribute to the understanding of the highly complex and heterogeneous pathomechanisms following TBI, especially concerning thrombo-inflammatory processes. The targeted pharmacological blocking of FXII(a) could be a useful therapeutic principle in the treatment of TBI-associated pathologic processes.

Veränderungen im zellulären Oxidationszustand durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind in biochemischen Signalwegen, aber auch an der Entstehung von neurodegenerativen und anderen neuropathologischen Krankheiten beteiligt. Genetisch kodierte Redoxfarbstoffe haben sich in jüngerer Zeit als deutlich überlegen gegenüber der herkömmlichen Redox-Bildgebung gezeigt, um auch dynamische und quantitative Messungen des Redox-Status in komplexeren und adulten Organismen durchführen zu können. In dieser Arbeit wurde ein neues transgenes Mausmodell mit zytosolischer Expression des optischen Redox-Indikator roGFP1 in Neuronen unter der Kontrolle des Thy1-Promotors (C57BL/6-TG(Thy1.2-roGFP1c)) eingehend charakterisiert. Die transgenen Tiere zeigen einen mit verschiedenen Verhaltenstest und der Überprüfung verschiedener relevanter physiologischer Parameter sichergestellten gesunden Phänotyp. Bei an akuten Hirnschnitten und formalinfixierten Proben durchgeführten Messungen mit 2-Photonen-Laser-Scanning-Mikroskopie und herkömmlicher Fluoreszenzmikoskopie konnte eine kräftige Expression von roGFP1 vor allem in der CA1-Region, aber auch cortikal sowie im Hirnstamm gefunden werden. Durch Gegenfärbung mit fluoreszenmarkierten anti-NeuN-Antikörpern wurde eine extraneuronale Expression im Gehirn ausgeschlossen. Die Baseline der roGFP1-Antwort und Veränderungen im Oxidationszustand durch Inkubation von akuten Hirnschnitten mit Oxidations- und Reduktionsmitteln und unter Anoxie wurden dynamisch in Echtzeit mittels Fluoreszenzmikroskopie im Hippokampus und Neocortex bestimmt. Daraus kann geschlossen werden, dass das untersuchte C57BL/6-TG(Thy1.2-roGFP1c) Mausmodell funktionelle Redox-Indikatoren in ausreichendem Maße in großen Teilen des Gehirns exprimiert. Die Verfügbarkeit dieser Mäuse sollte sich als wichtig für das tiefergehende Verständnis der Rolle reaktiver Sauerstoffspezies und damit einhergehender Veränderungen des Redox-Status sowohl in der physiologischen Kontrolle der Zellfunktion als auch in neuropathologischen Prozessen erweisen.

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La fibrose kystique est une maladie autosomale récessive multisystémique se manifestant principalement au niveau du système respiratoire et digestif. En raison d’une altération de la protéine régulatrice CFTR, l’équilibre ionique chez les cellules de l’hôte est déficient. Il en résulte, entre autres, une sécrétion et une accumulation d’un mucus pulmonaire très consistant. L’évacuation du mucus étant très fastidieuse chez les patients atteints de fibrose kystique, l’élimination des particules et bactéries des voies respiratoires est inadéquate. Cet aspect de la maladie participe grandement à sa progression, car l’établissement d’infections bactériennes chroniques contribue principalement à l’effet délétère sur la santé respiratoire des patients atteints de fibrose kystique. La colonisation du mucus pulmonaire par les bactéries pathogènes est le sujet de nombreuses recherches extensives dans le contexte de la fibrose kystique. La présence d’une diversité microbienne dans les voies respiratoires est connue depuis longtemps, mais avec les techniques récentes d’analyse moléculaire, il a été constaté que celle-ci peut présenter une très grande richesse qui était préalablement non détectée par les méthodes d’isolement classiques. Les interactions et comportements adoptés par les populations polymicrobiennes du microbiome FK dans la progression de la maladie sont maintenant de grand intérêt. La virulence des principaux pathogènes en FK a préalablement et exhaustivement été décrite de façon spécifique. Parmi les plus notoires, comme Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa et Burkholderia cepacia, certains utilisent des systèmes de communication cellulaire élaborés («quorum sensing») dans le but de réguler leur virulence. De nouvelles voies de recherche sont construites sur la suggestion qu’une population polymicrobienne peut être perçue comme un seul agent infectieux. Notre étude a été conduite afin de documenter les possibles réponses interespèces entre S. aureus et P. aeruginosa suite à l’échange de molécules sécrétées dans le cadre du «quorum sensing». Pour ce faire, nous avons caractérisé un éventail d’interactions existantes entre des isolats cliniques des deux pathogènes d’intérêt. Nous avons également développé un modèle nous permettant de mieux comprendre l’impact de la coexistence sur leur pathogenèse. Inévitablement, l’étude vise à définir l’instance de la présence simultanée des deux bactéries dans l’établissement d’infections chroniques chez les patients atteints de fibrose kystique ainsi que sur leur santé respiratoire. Cette étude tente ultimement de contribuer à l’effort visant à comprendre l’importance des interactions polymicrobiennes dans un contexte infectieux dans le but de trouver de nouveaux indices quant à l’élaboration de stratégies thérapeutiques.

Univ., Diss.--Bochum, 2005.

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La prééclampsie est une maladie fréquente de la grossesse, caractérisée par l’apparition de novo d’une hypertension et d’une protéinurie à partir de la 20ème semaine d’aménorrhée. Ces symptômes s’aggravent au long de la grossesse, conduisant éventuellement à la mort maternelle en l’absence de prise en charge médicalisée. La thérapeutique définitive l’extraction du placenta, et donc du fœtus, ce qui induit une importante prématurité iatrogène. Les causes restent mal définies, mais il est bien admis que des anomalies au niveau de la mise en place du placenta sont au cœur de sa physiopathologie. Un défaut d’invasion trophoblastique des artères spiralées utérines semble être une constante de la maladie. Des données épidémiologiques démontrent qu’il existe une forte composante génétique dans la prééclampsie, et en 2005, un clonage positionnel dans des familles hollandaises, aboutit à l’identification de STOX1 comme le premier gène lié à cette maladie. STOX1 code un facteur de transcription intervenant dans le contrôle de la prolifération et de l’invasion des trophoblastes. Dans notre laboratoire, l’étude de STOX1 a été initiée par surexpression dans des cellules de choriocarcinome humain (modèle de trophoblastes) suivie d’une analyse transcriptomique. Celle-ci a révélé que les altérations d’expression génique observées suite à la surexpression de STOX1 étaient significativement corrélées à celles trouvées dans des placentas prééclamptiques. La création de souris transgéniques exprimant la version humaine de STOX1 sous le contrôle d’un promoteur ubiquitaire a alors été entreprise. Mes travaux de thèse ont principalement consisté à caractériser le phénotype de ces souris. Nous avons décidé de croiser des mâles transgéniques avec des souris sauvages afin de limiter l’expression du transgène à l’unité fœto-placentaire. Ces souris sauvages développent au cours de leur gestation une hypertension sévère, et une protéinurie. Elles constituent donc un nouveau modèle de prééclampsie. De plus, nous avons observé des anomalies que l’on trouve également chez les patientes : une fibrose rénale, une élévation des taux sériques de facteurs pro-angiogéniques (le récepteur soluble du VEGF et l’endogline soluble). Ces souris ont également des marqueurs d’hypertrophie cardiaque, attestant de l’impact sévère de l’hypertension. Pour mieux comprendre comment STOX1 peut induire ce syndrome, nous avons étudié son impact dans le modèle cellulaire surexprimant STOX1 et nous avons pu montré une altération de la gestion du stress oxydatif et de la fonction mitochondriale. En conclusion, nous avons obtenu et caractérisé un modèle de prééclampsie sévère, le seul existant montrant un phénotype hypertensif très marqué et très précoce. Ce modèle est un outil puissant pour découvrir de nouvelles voies impliquées dans la physiopathologie de la prééclampsie, pour rechercher de potentiels marqueurs diagnostiques précoces, tester des approches thérapeutiques innovantes et explorer les mécanismes responsables des conséquences à long terme de la prééclampsie. / Preeclampsia is a common disease of pregnancy characterized by de novo appearance of hypertension and proteinuria from the 20th week of gestation. These symptoms worsen during pregnancy, possibly leading to maternal death in the absence of medical management. The only final treatment is the extraction of placenta and so fetus, which is responsible to a significant iatrogenic prematurity. The causes remain unclear, but it is well accepted that abnormalities in the development of the placenta are at the heart of its pathophysiology. A lack of trophoblastic invasion of the uterine spiral arteries seems to be a constant of the disease. Epidemiological data show that there is a strong genetic component in preeclampsia, and in 2005, a positional cloning in Dutch families led to the identification of STOX1 as the first gene linked to the disease. STOX1 encode a transcription factor involved in the control of proliferation and invasion of trophoblasts. In our laboratory, the study of STOX1 was initiated by its overexpression in human choriocarcinoma cells (trophoblast model) followed by transcriptome analysis. This revealed that the gene expression changes observed after STOX1 overexpression were significantly correlated with those found in preeclamptic placentas. The creation of transgenic mice expressing the human version of STOX1 under the control of a ubiquitous promoter was then initiated. My work during this thesis consisted primarily to characterize the phenotype of these mice. We decided to cross transgenic males with wild-type mice to limit transgene expression in fetal-placental unit. These wild mice develop during gestation severe hypertension and proteinuria. They therefore constitute a new model of preeclampsia. In addition, we observed anomalies that are also found in patients: renal fibrosis, elevated serum levels of pro-angiogenic factors (soluble VEGF receptor and soluble endoglin). These mice also have markers of cardiac hypertrophy, attesting for the severe impact of hypertension. To better understand how STOX1 can induce the syndrome, we studied its impact on the cell model overexpressing STOX1 and we showed a change in the management of oxidative stress and mitochondrial function. In conclusion, we have obtained and characterized a model of severe preeclampsia, the only existing one showing a very strong and very early hypertensive phenotype. This model is a powerful tool for discovering new pathways involved in the pathophysiology of preeclampsia, for searching potential early diagnostic markers, for testing innovative therapeutic approaches and for exploring the mechanisms responsible for the long-term consequences of preeclampsia.

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